超音波フェーズドアレイ法による 一方向凝固材検査技術の開発
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カテゴリ: 第14回
1.緒言
超音波フェーズドアレイ法は、圧電素子に与える電気的なタイミングを遅延制御することで、超音波ビームを被検査対象の内部で走査し、内部を可視化することができる有用な非破壊検査手法の一つである[1]。 ステンレス鋼や炭素鋼などの超音波検査では、測定対象物中を伝搬する超音波の音速は伝搬方向に依存しない物質固有の一定な値をとるため、材質が既知であれば、物質固有の音速を用いてアレイセンサに与える遅延条件を求めることで、高精度の測定が実施できる。しかし、特定の方向に金属結晶が成長した一方向凝固材のような結晶性材料では、音速が超音波の伝わる方向に依存する音響異方性を有する。このため、超音波フェーズドアレイ法で検査する場合、仮に音速を一定として求めた遅延条件を設定しても、超音波を集束させたい位置に正確に送信できなくなるため、位置精度や信号強度が低下することが知られている。従って、音響異方性を考慮した遅延条件を用いて検査することが重要となる。従来、結晶成長方向が正確には分からない一方向凝固材を超音波フェーズドアレイ法で検査する場合、あらかじめ、結晶成長方向を断面観察やX線計測で求めておく必要があった。 そこで我々は、発電プラントなどで用いられる、耐熱性に優れたニッケル基合金の一方向凝固材を対象とし、結晶成長方向が正確には分からない場合であっても、超音波フェーズドアレイ法により結晶成長方向を推定する方法を考案し、音響異方性を考慮した検査条件を設定して、精度の良い超音波検査を実施することを可能にした。 本報告では、ニッケル基合金の一方向凝固材にスリットを付与した試験片を製作し、この試験片の結晶成長方向の計測結果と、結晶成長方向の計測結果を元に設定したセクタスキャンの遅延条件を用いて付与したスリットを画像化した結果について紹介する。
2.ニッケル基合金の一方向凝固材
2.1 製作方法と結晶学的特性 ニッケル基合金が一方向に凝固したサンプルを、Fig.1 に示すように、ステンレス製の基盤上にニッケル基合金 製(インコネルR82)の溶接棒を用いて肉盛りして製作し た。ニッケル基合金が溶融したのち凝固すると、主に熱 流方向に沿って柱状晶が成長する。このように製作した サンプルの一方向凝固材部分は、Fig.2に示すように、柱 状晶の一つ一つは立方晶系に属し、結晶学的な<001>方向 と結晶成長方向は一致する。このため、ほぼ Z 軸方向に 成長した柱状晶の集合組織を成す。一方、その他の結晶 学的な<100>と<010>方向はランダムに配列する。このた め、マクロ的に均質化すると、横等方性材料(六方晶系 モデル)とみなすことが出来る。 6000Quasi-longitudinal wave θ=90? 1910/12/13Shear wave 1905/06/22θ=180? 0Quasi-shear wave θ=270? Actual crystal growth direction θ=0? 2000 4000 6000[m/s] Fig.3 Group velocities diagram 3.超音波による結晶成長方向の計測方法 Fig.4に示すように、結晶成長方向が未知の一方向凝固 材の試験片があり、遅延条件に基づいて超音波を送受信 可能なアレイセンサが試験片上に設置されているとする。 もし、異方性を考慮した正しい遅延条件を設定できれば、 底面やコーナーなど、試験片の形状に起因する反射源上 に強い集束ビームを形成し、強い反射信号が得られこと になる。例えば、Z 軸を基準に、結晶成長角度を-90r≦ θi≦90rの範囲で多数仮定し、仮定した結晶成長角度に 対応する遅延条件を全て算出する。算出した遅延条件を 用いて反射源から得た反射波形(A-スコープ)を、Fig.5 に示すように、仮定した結晶成長方向順に並べ、反射源 からのエコー強度(I)を抽出して評価する。 仮定した結晶成長角度のうち最も反射信号が強くなる角 度を探すことにより、試験片の結晶成長角度(θ?)すなわ ち結晶成長方向を推定することができる。 Fig.4 Apparatus setup Phased array measurement system XY Linear array probe φ Z θc Corner ・・・・・・ Test piece Assumed crystal θi growth direction +90? - 533 - Nickel based electrode for welding XUnidirectional solidified Y nickel based superalloy Z Base metal: Stainless steel Fig.1 Unidirectional solidification Columnar crystal (Cubic crystal) Fig.2 Columnar crystal organization 2.2群速度分布 本サンプルの一方向凝固材部分における、結晶成長方 向と超音波の伝搬方向の成す角(θ)に依存して変化する 群速度分布を、電磁超音波共鳴法[2]により算出した Table 1に示すインコネルR82の弾性スティフネスを参照 し、理論解として求めた。群速度分布を Fig.3 に示す。 今回の計測で用いる縦波の群速度分布は、厳密には180r 周期であるが、ほぼ90r周期となっていることがわかる。 Table 1 Material properties Material parameter Value Density 8310[kg/m3] Elastic constants 0? Refraction angle -90? Bottom Cube axes Crystal growth direction X(Average axis) Y Z ≒Transversely isotropic material C11 280[GPa] C12 117[GPa] C13 143[GPa] C33 257[GPa] C44 107[GPa] Echo from specific reflection source e lgnah tworgl atsyrcd emussAθI A-scope θiθc ’ Peak θ1intensity (I) Propagation path [mm] Fig.5 Procedure for evaluating crystal growth angle 4.結晶成長方向の計測実験 4.1 実験体系と実験条件 結晶成長方向を計測するための実験体系を Fig.6 に示 す。アレイセンサは、アレイセンサの中心から屈折角50r 方向にコーナーが位置するように配置した。アレイセン サの仕様を Table 2 に示す。フェーズドアレイ探傷器に は、株式会社 日立パワーソリューションズ製ES3500Wを 用いた。試験片は、Fig.1に示した方法で製作したサンプ ルの一方向凝固材部分から、幅 160mm,高さ 30mm,奥行き 20mmのサイズで直方体形状に切り出し、さらに高さ10mm の貫通スリットを付与して製作した。 結晶成長方向を計測するための実験条件を Table 3 に 示す。-90r≦θi≦90rの範囲において、1rピッチで結 晶成長方向を仮定し、試験片コーナーに屈折角50rで超 音波が集束できる遅延条件を181通り作成した。 X Y ・・・ Z 50? 30mm Corner Unidirectional solidified nickel based superalloy Slit Fig.6 Apparatus setup for measuring crystal growth angle Linear array probe ・・ Probe center ・ 160mm0.4mm 10mm 20mm Table 2 Specifications of the linear array probe Frequency 2 MHz Elements 64 Pitch 0.5 mm Table 3 Experimental conditions for measuring crystal growth direction Transmitter Max voltage 160 V Receiver Band-pass filter 1 ? 5 MHz Focal law Refraction angle 50 degrees Focal depth 30 mm Assumed crystal growth angle From -90 to 90 degrees Increment 1 degree 4.2 計測結果 作成した遅延パターンを用いて試験片の結晶成長方向 を計測した。Fig.5で示した方法で、試験片コーナーから のエコー強度を評価した結果を示す。エコー強度のピー クは、仮定した結晶成長方向θiのうち、1rと 84rに観 測され、若干1rの方が高い値となった。このことから、 試験片の結晶成長角度(θ?)は1rであり、凝固時の熱流 方向となるZ軸に沿って結晶成長したことが推定できた。 なお、84rにも強いピークが観測された理由は、先述の とおり、群速度分布がほぼ90度周期に近く、与える遅延 時間がほぼ同じとなるためである。 10.5-90-60 -30 0 30 60 90 Assumed crystal growth angle [degrees] Fig.6 Measurement result of crystal growth angle 5.スリットの画像化実験 5.1 実験体系と実験条件 超音波フェーズドアレイ法による一方向凝固材の検査 において、要求される結晶成長角度の計測精度を求める ため、試験片に付与したスリットを画像化して検証した。 - 534 - 実験体系を Fig.7 に示す。アレイセンサの中心から屈折 角40r方向にスリットのコーナーが位置するようにアレ イセンサを配置した。超音波フェーズドアレイ法による セクタスキャンの実験条件を Table 4 に示す。なお、用 いた器具一式は、結晶成長方向の計測実験と同一である。 X Y ・・・ Z Fig.7 Apparatus setup for ultrasonic phased array technique verification Table 4 Experimental conditions for ultrasonic phased array testing Transmitter Max voltage 160 V Receiver Band-pass filter Total gain 1 ? 5 MHz 72 dB Focal law Steering angle From 0 to 60 degrees Crystal growth angle 0, 2.5, 5, 10, 20, 30, 45 degrees 5.2 画像化結果 超音波フェーズドアレイ法で、試験片に付与したスリ ットの画像化を実施した。推定した試験片の結晶成長角 度とほぼ一致する(a)θi=0rとした場合のセクタスキャ ン画像と、一致しない(b)θi=45rとした場合のセクタス キャン画像を、Fig.8に例示する。正しい結晶成長角度の 場合は、スリットのコーナーと端部からのエコーが鮮明 に検出できているが、誤った結晶成長角度の場合は、ど ちらのエコーも検出できていないことがわかる。スリッ トからのエコー強度の結晶成長角度依存性を Fig.9 に示 す。結晶成長角度を5rと仮定した場合でも、依然として 強いエコー強度が得られるが、結晶成長角度を10r以上 として仮定した場合においては、強度が弱くなる傾向が 得られた。すなわち、インコネルR82の一方向凝固材検査 において、結晶成長方向計測の要求精度は±5r程度であ ると推定できた。 40? Steering region of sectorial scan ・・ 40? ・ (a) θi=0 (b) θi=45 010080604020Y Y 0 10Tip echo 10Not detectable 2020303040405050Z Weak Echo intensity Z Strong Fig.8 Sectorial scan results: (a) sectorial scan with the correct inspection condition (b) sectorial scan with the mismatched inspection condition Corner echo Tip echo Fig.9 Dependence of echo intensity on crystal growth angle 6.結論 超音波フェーズドアレイ法による一方向凝固材検査の 高精度化を目的とし、集束超音波を用いた結晶成長方向 の推定手法を考案した。結晶成長角度の異なる遅延条件 を設定して形状エコーを取得し、エコー強度を評価する ことで、インコネルR82の一方向凝固材においては、±5r の精度で結晶成長方向を推定できる見通しを得た。推定 した結晶成長を元に、精度よくスリットを画像化できる ことを示し、本手法の有効性を実証した。 参考文献 [1] L. Azar, Y. Shi and S. C. Wooh, “Beam focusing behavior of linear phased arrays”, NDT&E International 33, pp.189? 198 (2000) [2] H. Ogi, G. Shimoike, K. Takashima and M. Hirao, “Measurement of elastic-stiffness tensor of an anisotropic thin film by electromagnetic acoustic resonance”, Ultrasonics, Vol.40, pp. 333-336 (2002) (平成29年5月17日) - 535 - ] %[y tisnetnIThe crystal 50 growth direction 10 15 used 20 for calculating 25 30 focal 35 laws 40 [degrees] 45 Corner echo“ “超音波フェーズドアレイ法による 一方向凝固材検査技術の開発“ “溝田 裕久,Hirohisa MIZOTA,永島 良昭,Yoshiaki NAGASHIMA,中畑 和之,Kazuyuki NAKAHATA
超音波フェーズドアレイ法は、圧電素子に与える電気的なタイミングを遅延制御することで、超音波ビームを被検査対象の内部で走査し、内部を可視化することができる有用な非破壊検査手法の一つである[1]。 ステンレス鋼や炭素鋼などの超音波検査では、測定対象物中を伝搬する超音波の音速は伝搬方向に依存しない物質固有の一定な値をとるため、材質が既知であれば、物質固有の音速を用いてアレイセンサに与える遅延条件を求めることで、高精度の測定が実施できる。しかし、特定の方向に金属結晶が成長した一方向凝固材のような結晶性材料では、音速が超音波の伝わる方向に依存する音響異方性を有する。このため、超音波フェーズドアレイ法で検査する場合、仮に音速を一定として求めた遅延条件を設定しても、超音波を集束させたい位置に正確に送信できなくなるため、位置精度や信号強度が低下することが知られている。従って、音響異方性を考慮した遅延条件を用いて検査することが重要となる。従来、結晶成長方向が正確には分からない一方向凝固材を超音波フェーズドアレイ法で検査する場合、あらかじめ、結晶成長方向を断面観察やX線計測で求めておく必要があった。 そこで我々は、発電プラントなどで用いられる、耐熱性に優れたニッケル基合金の一方向凝固材を対象とし、結晶成長方向が正確には分からない場合であっても、超音波フェーズドアレイ法により結晶成長方向を推定する方法を考案し、音響異方性を考慮した検査条件を設定して、精度の良い超音波検査を実施することを可能にした。 本報告では、ニッケル基合金の一方向凝固材にスリットを付与した試験片を製作し、この試験片の結晶成長方向の計測結果と、結晶成長方向の計測結果を元に設定したセクタスキャンの遅延条件を用いて付与したスリットを画像化した結果について紹介する。
2.ニッケル基合金の一方向凝固材
2.1 製作方法と結晶学的特性 ニッケル基合金が一方向に凝固したサンプルを、Fig.1 に示すように、ステンレス製の基盤上にニッケル基合金 製(インコネルR82)の溶接棒を用いて肉盛りして製作し た。ニッケル基合金が溶融したのち凝固すると、主に熱 流方向に沿って柱状晶が成長する。このように製作した サンプルの一方向凝固材部分は、Fig.2に示すように、柱 状晶の一つ一つは立方晶系に属し、結晶学的な<001>方向 と結晶成長方向は一致する。このため、ほぼ Z 軸方向に 成長した柱状晶の集合組織を成す。一方、その他の結晶 学的な<100>と<010>方向はランダムに配列する。このた め、マクロ的に均質化すると、横等方性材料(六方晶系 モデル)とみなすことが出来る。 6000Quasi-longitudinal wave θ=90? 1910/12/13Shear wave 1905/06/22θ=180? 0Quasi-shear wave θ=270? Actual crystal growth direction θ=0? 2000 4000 6000[m/s] Fig.3 Group velocities diagram 3.超音波による結晶成長方向の計測方法 Fig.4に示すように、結晶成長方向が未知の一方向凝固 材の試験片があり、遅延条件に基づいて超音波を送受信 可能なアレイセンサが試験片上に設置されているとする。 もし、異方性を考慮した正しい遅延条件を設定できれば、 底面やコーナーなど、試験片の形状に起因する反射源上 に強い集束ビームを形成し、強い反射信号が得られこと になる。例えば、Z 軸を基準に、結晶成長角度を-90r≦ θi≦90rの範囲で多数仮定し、仮定した結晶成長角度に 対応する遅延条件を全て算出する。算出した遅延条件を 用いて反射源から得た反射波形(A-スコープ)を、Fig.5 に示すように、仮定した結晶成長方向順に並べ、反射源 からのエコー強度(I)を抽出して評価する。 仮定した結晶成長角度のうち最も反射信号が強くなる角 度を探すことにより、試験片の結晶成長角度(θ?)すなわ ち結晶成長方向を推定することができる。 Fig.4 Apparatus setup Phased array measurement system XY Linear array probe φ Z θc Corner ・・・・・・ Test piece Assumed crystal θi growth direction +90? - 533 - Nickel based electrode for welding XUnidirectional solidified Y nickel based superalloy Z Base metal: Stainless steel Fig.1 Unidirectional solidification Columnar crystal (Cubic crystal) Fig.2 Columnar crystal organization 2.2群速度分布 本サンプルの一方向凝固材部分における、結晶成長方 向と超音波の伝搬方向の成す角(θ)に依存して変化する 群速度分布を、電磁超音波共鳴法[2]により算出した Table 1に示すインコネルR82の弾性スティフネスを参照 し、理論解として求めた。群速度分布を Fig.3 に示す。 今回の計測で用いる縦波の群速度分布は、厳密には180r 周期であるが、ほぼ90r周期となっていることがわかる。 Table 1 Material properties Material parameter Value Density 8310[kg/m3] Elastic constants 0? Refraction angle -90? Bottom Cube axes Crystal growth direction X(Average axis) Y Z ≒Transversely isotropic material C11 280[GPa] C12 117[GPa] C13 143[GPa] C33 257[GPa] C44 107[GPa] Echo from specific reflection source e lgnah tworgl atsyrcd emussAθI A-scope θiθc ’ Peak θ1intensity (I) Propagation path [mm] Fig.5 Procedure for evaluating crystal growth angle 4.結晶成長方向の計測実験 4.1 実験体系と実験条件 結晶成長方向を計測するための実験体系を Fig.6 に示 す。アレイセンサは、アレイセンサの中心から屈折角50r 方向にコーナーが位置するように配置した。アレイセン サの仕様を Table 2 に示す。フェーズドアレイ探傷器に は、株式会社 日立パワーソリューションズ製ES3500Wを 用いた。試験片は、Fig.1に示した方法で製作したサンプ ルの一方向凝固材部分から、幅 160mm,高さ 30mm,奥行き 20mmのサイズで直方体形状に切り出し、さらに高さ10mm の貫通スリットを付与して製作した。 結晶成長方向を計測するための実験条件を Table 3 に 示す。-90r≦θi≦90rの範囲において、1rピッチで結 晶成長方向を仮定し、試験片コーナーに屈折角50rで超 音波が集束できる遅延条件を181通り作成した。 X Y ・・・ Z 50? 30mm Corner Unidirectional solidified nickel based superalloy Slit Fig.6 Apparatus setup for measuring crystal growth angle Linear array probe ・・ Probe center ・ 160mm0.4mm 10mm 20mm Table 2 Specifications of the linear array probe Frequency 2 MHz Elements 64 Pitch 0.5 mm Table 3 Experimental conditions for measuring crystal growth direction Transmitter Max voltage 160 V Receiver Band-pass filter 1 ? 5 MHz Focal law Refraction angle 50 degrees Focal depth 30 mm Assumed crystal growth angle From -90 to 90 degrees Increment 1 degree 4.2 計測結果 作成した遅延パターンを用いて試験片の結晶成長方向 を計測した。Fig.5で示した方法で、試験片コーナーから のエコー強度を評価した結果を示す。エコー強度のピー クは、仮定した結晶成長方向θiのうち、1rと 84rに観 測され、若干1rの方が高い値となった。このことから、 試験片の結晶成長角度(θ?)は1rであり、凝固時の熱流 方向となるZ軸に沿って結晶成長したことが推定できた。 なお、84rにも強いピークが観測された理由は、先述の とおり、群速度分布がほぼ90度周期に近く、与える遅延 時間がほぼ同じとなるためである。 10.5-90-60 -30 0 30 60 90 Assumed crystal growth angle [degrees] Fig.6 Measurement result of crystal growth angle 5.スリットの画像化実験 5.1 実験体系と実験条件 超音波フェーズドアレイ法による一方向凝固材の検査 において、要求される結晶成長角度の計測精度を求める ため、試験片に付与したスリットを画像化して検証した。 - 534 - 実験体系を Fig.7 に示す。アレイセンサの中心から屈折 角40r方向にスリットのコーナーが位置するようにアレ イセンサを配置した。超音波フェーズドアレイ法による セクタスキャンの実験条件を Table 4 に示す。なお、用 いた器具一式は、結晶成長方向の計測実験と同一である。 X Y ・・・ Z Fig.7 Apparatus setup for ultrasonic phased array technique verification Table 4 Experimental conditions for ultrasonic phased array testing Transmitter Max voltage 160 V Receiver Band-pass filter Total gain 1 ? 5 MHz 72 dB Focal law Steering angle From 0 to 60 degrees Crystal growth angle 0, 2.5, 5, 10, 20, 30, 45 degrees 5.2 画像化結果 超音波フェーズドアレイ法で、試験片に付与したスリ ットの画像化を実施した。推定した試験片の結晶成長角 度とほぼ一致する(a)θi=0rとした場合のセクタスキャ ン画像と、一致しない(b)θi=45rとした場合のセクタス キャン画像を、Fig.8に例示する。正しい結晶成長角度の 場合は、スリットのコーナーと端部からのエコーが鮮明 に検出できているが、誤った結晶成長角度の場合は、ど ちらのエコーも検出できていないことがわかる。スリッ トからのエコー強度の結晶成長角度依存性を Fig.9 に示 す。結晶成長角度を5rと仮定した場合でも、依然として 強いエコー強度が得られるが、結晶成長角度を10r以上 として仮定した場合においては、強度が弱くなる傾向が 得られた。すなわち、インコネルR82の一方向凝固材検査 において、結晶成長方向計測の要求精度は±5r程度であ ると推定できた。 40? Steering region of sectorial scan ・・ 40? ・ (a) θi=0 (b) θi=45 010080604020Y Y 0 10Tip echo 10Not detectable 2020303040405050Z Weak Echo intensity Z Strong Fig.8 Sectorial scan results: (a) sectorial scan with the correct inspection condition (b) sectorial scan with the mismatched inspection condition Corner echo Tip echo Fig.9 Dependence of echo intensity on crystal growth angle 6.結論 超音波フェーズドアレイ法による一方向凝固材検査の 高精度化を目的とし、集束超音波を用いた結晶成長方向 の推定手法を考案した。結晶成長角度の異なる遅延条件 を設定して形状エコーを取得し、エコー強度を評価する ことで、インコネルR82の一方向凝固材においては、±5r の精度で結晶成長方向を推定できる見通しを得た。推定 した結晶成長を元に、精度よくスリットを画像化できる ことを示し、本手法の有効性を実証した。 参考文献 [1] L. Azar, Y. Shi and S. C. Wooh, “Beam focusing behavior of linear phased arrays”, NDT&E International 33, pp.189? 198 (2000) [2] H. Ogi, G. Shimoike, K. Takashima and M. Hirao, “Measurement of elastic-stiffness tensor of an anisotropic thin film by electromagnetic acoustic resonance”, Ultrasonics, Vol.40, pp. 333-336 (2002) (平成29年5月17日) - 535 - ] %[y tisnetnIThe crystal 50 growth direction 10 15 used 20 for calculating 25 30 focal 35 laws 40 [degrees] 45 Corner echo“ “超音波フェーズドアレイ法による 一方向凝固材検査技術の開発“ “溝田 裕久,Hirohisa MIZOTA,永島 良昭,Yoshiaki NAGASHIMA,中畑 和之,Kazuyuki NAKAHATA